一、單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AT89S51單片機(jī)兼容標(biāo)準(zhǔn)8051的指令系統(tǒng)及引腳。下面以AT89S51單片機(jī)為例，簡(jiǎn)要介紹51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

通常，單片機(jī)片內(nèi)含CPU、ROM、RAM、并行I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)、時(shí)鐘電路、系統(tǒng)總線等。

1.中央處理器(CPU)

中央處理器是AT89S51單片機(jī)的核心，完成運(yùn)算和控制功能。其CPU能處理8位二進(jìn)制數(shù)或代碼。

2.程序存儲(chǔ)器

程序存儲(chǔ)器用于存放用戶編寫的程序、原始數(shù)據(jù)或表格，分為片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和片外程序存儲(chǔ)器。

AT89S51采用片內(nèi)、片外統(tǒng)一編址的64kB(0000H~FFFFH)程序存儲(chǔ)器地址空間。片內(nèi)有4kB Flash Memery.地址范圍為0000H~OFFFH.

既可在線編程(ISP)，也可以用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程。

采用匯編語(yǔ)言或C語(yǔ)言編寫的源程序，必須通過(guò)編譯軟件(如Keil C51)把編譯生成二進(jìn)制代碼，即機(jī)器碼。用戶編寫的程序、原始數(shù)據(jù)、表格等，都是以二進(jìn)制的形式存放在程序存儲(chǔ)器中的。計(jì)算機(jī)的工作，就是按照事先編好的程序從0000H地址單元一條條地循序執(zhí)行的。

當(dāng)AT89S51(31) 腳EA接高電平時(shí)，從片內(nèi)ROM 中的0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行程序。當(dāng)AT89S51(31)腳EA接低電平時(shí)，片內(nèi)ROM不起作用，CPU只能從片外ROM 中取指令。

內(nèi)部ROM 0000H~002AH共43個(gè)單元。被分為六段，作為程序運(yùn)行的入口地址使用。其中：

0000H~0002H 為復(fù)位后或初始化引導(dǎo)程序地址區(qū);0003H~000AH 外部中斷0中斷入口地址區(qū);000BH~001 2H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0中斷入口地址區(qū);001 3H~001 AH 外部中斷1中斷入口地址區(qū);001 BH~0022H 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1中斷入口地址區(qū);0023H ~ 002AH 串行中斷入口地址區(qū)。

通常， 我們編寫程序時(shí)不得占用上述中斷程序入口地址單元， 即0003H~002AH單元。也就是說(shuō)， 主程序一般不放在該地址空間。編程時(shí)， 可以采用起始偽指令ORG,跳過(guò)0003H~002AH單元。

偽指令，是告訴匯編程序如何進(jìn)行匯編的一類指令，不會(huì)被匯編成機(jī)器代碼，只能為匯編軟件(如Keil C51)所識(shí)別。

單片機(jī)復(fù)位后，是從0000H單元開(kāi)始取指令執(zhí)行程序的。因此，應(yīng)在O000H~O002H三個(gè)單元存放一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，轉(zhuǎn)到主程序，程序結(jié)構(gòu)如下：

ORG O00H:用偽指令ORG指示隨后的指令代碼從0000H地址單元開(kāi)始存放。

LJMP START;在O000H~0002H存放一條長(zhǎng)跳轉(zhuǎn)指令，執(zhí)行該指令，程序轉(zhuǎn)到以START為語(yǔ)句標(biāo)號(hào)的地址執(zhí)行。

ORG 0030H;偽指令ORG指示隨后的指令代碼從0030H地址單元開(kāi)始存放。

START: ;START是主程序入口地址標(biāo)號(hào)，主程序開(kāi)始。

……

END ;結(jié)束偽指令，標(biāo)志程序代碼到此結(jié)束。

通過(guò)該程序，保留了各中斷入口地址。對(duì)各個(gè)中斷入口地址的使用，我們?cè)趯W(xué)習(xí)中斷系統(tǒng)時(shí)再進(jìn)行介紹。

3.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM )

單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有片內(nèi)和片外之分，AT89S51片內(nèi)有256字節(jié)RAM,其中高128單元被專用寄存器占用，低128字節(jié)供用戶使用，用于存放可讀寫的數(shù)據(jù)。片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可擴(kuò)展6kB存儲(chǔ)空間，地址范圍為0000H~FFFFH.片內(nèi)和片外RAM 的地址空間各自獨(dú)立， 指令MOV用于片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間的傳送，指令MOVX用于片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和累加器A之間的數(shù)據(jù)傳送。

AT89S51內(nèi)部RAM共有256字節(jié)，通常分為低128字節(jié)(地址00H~7FH)和高128字節(jié)(地址80H~FFH)兩部分。低128字節(jié)，按其用途分為三個(gè)區(qū)域，如表1所示。

表1

(1)工作寄存器區(qū)

工作寄存器區(qū)有四組工作寄存器，每組8個(gè)寄存器，用于存放操作數(shù)及中間結(jié)果等。其地址為內(nèi)部RAM 的00H~1FH單元地址。在任一時(shí)刻，CPU只能使用其中一組寄存器，并把正在使用的那組寄存器稱為當(dāng)前寄存器組，用R0~R7表示。當(dāng)前使用的到底是哪一組工作寄存器，則由程序狀態(tài)字寄存器PSW 得RS1、RS0位的狀態(tài)組合決定，表2為工作寄存器選擇。

表2 工作寄存器選擇

RS1和RS0的狀態(tài)可以通過(guò)指令修改，如指令：

SETB RS1 :置RS1為1

CLR RS0 ;置RS0為0

置當(dāng)前工作寄存器為第2組，R0~R7的物理地址為10H~17H.

(2)位尋址區(qū)。

內(nèi)部RAM的20H~2FH單元，既可作為一般RAM單元使用，進(jìn)行字節(jié)操作，也可以對(duì)各RAM單元的每一位進(jìn)行位操作，因此，把該區(qū)又稱為位尋址區(qū)。位尋址區(qū)有16字節(jié)RAM單元，共128位，位地址為00H~7FH.可以用位操作類指令對(duì)其進(jìn)行位操作。如指令：

CLR 00H ;00H為位地址，而不是字節(jié)地址，將位地址00H清零

SETB 07H ;07H為位地址，不是字節(jié)地址，將位地址07H置1

當(dāng)位地址為80H~FFH時(shí)，所代表的是特殊功能寄存器的位地址。

如指令：CLR P1.0

CLR 9OH

(3)用戶RAM 區(qū)及堆棧。

用戶RAM區(qū)，包括堆棧區(qū)和用戶標(biāo)志區(qū)等用戶自己設(shè)定的數(shù)據(jù)區(qū)。其地址在內(nèi)部RAM低128單元中。如果用戶的程序要使用四組工作寄存器，其單元地址為30H ~7FH,共8O個(gè)單元，如果用戶程序不需要四組工作寄存器，則其中一部分工作寄存器區(qū)也可作用戶RAM使用。用戶RAM區(qū)中的堆棧，用來(lái)暫存數(shù)據(jù)和地址，它是按"先進(jìn)后出"的原則存取數(shù)據(jù)的。

堆棧有進(jìn)棧和出棧兩種操作，由棧指針SP管理。分別采用壓棧和出棧指令PUSH和POP進(jìn)行數(shù)據(jù)的存和取。

系統(tǒng)復(fù)位后，SP的值為07H,此時(shí)堆棧是從08H單元開(kāi)始的。由于08H~1FH單元屬于工作寄存器1~3區(qū)，如果程序中要用到這些區(qū)，最好把SP值改為2FH或更大。堆棧最好在內(nèi)部RAM的30H~7FH單元中開(kāi)辟。SP值一經(jīng)確定，堆棧的位置也就確定下來(lái)了。由于SP可通過(guò)指令初始化為不同值。因此堆棧的位置是浮動(dòng)的。如：

說(shuō)明：( )：表示某寄存器、存儲(chǔ)單元或表達(dá)式的內(nèi)容。(())：表示某寄存器、存儲(chǔ)單元或表達(dá)式的內(nèi)容為地址單元的內(nèi)容。

4.特殊功能寄存器(SFR)

內(nèi)部RAM的高128單元是特殊功能寄存器區(qū)其單元地址為80H~FFH.本文只講解累加器ACC.

累加器A是最常用的特殊功能寄存器。它既可存放操作數(shù)，也可存放運(yùn)算的中間結(jié)果。51系列單片機(jī)(AT89S51)中大部分單操作數(shù)指令的操作數(shù)取自累加器，許多雙操作數(shù)指令中的一個(gè)操作數(shù)也取自累加器。

如：指令MOV A,Rn;把當(dāng)前工作寄存器的內(nèi)容送累加器A.指令MOV A,#data;把立即數(shù)data送累加器A.

5. 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

51系列單片機(jī)(AT89S51)共有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，用以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)功能。并以其定時(shí)或計(jì)數(shù)結(jié)果對(duì)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。

6. 并行I/O口

AT89S51共有四個(gè)8位I/O I:1 P0、P1、P2、P3,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。在下面的實(shí)例中。

我們便是用P1 1:3連接8只發(fā)光二極管，并通過(guò)程序?qū)ζ溥M(jìn)行控制。

7. 串行口

AT89S51有一個(gè)全雙工的串行口，以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和其他設(shè)備之間的串行數(shù)據(jù)傳送。該串行口既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。

8. 中斷控制系統(tǒng)

AT89S51共有5個(gè)中斷源，即外中斷2個(gè)、定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷2個(gè)、串行中斷1個(gè)。

綜上所述，51系列單片機(jī)(AT89S51)雖然只是一個(gè)芯片，但具有計(jì)算機(jī)應(yīng)該具有的基本部件。

是一個(gè)簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

二、8路LED花樣顯示電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)8路LED間隔顯示所設(shè)計(jì)的八路LED花樣顯示電路如圖1所示。其中，發(fā)光二極管可選用3mm 的，晶振為12MHz的，電路可用15~17cm的萬(wàn)能板搭焊，單片機(jī)最好加一個(gè)40DIP的緊鎖lC插座，電源可用裝在4.5V電池盒的三節(jié)5號(hào)電池提供。

圖1 8路LED花樣顯示電路圖

三、制作

到電子市場(chǎng)上購(gòu)買以上材料后(正常價(jià)格約20元)，便可進(jìn)行電路的焊接了。焊接步驟如下：

(1)在萬(wàn)能板上依據(jù)8路LED花樣顯示電路設(shè)計(jì)好PCB電路圖，然后以緊鎖座為中心焊接其他元件。

(2)電路焊接順序?yàn)椋弘娫措娐芬煌鈬娐芬徽袷庪娐芬粡?fù)位電路一程序存儲(chǔ)器選擇電路。

焊接前，應(yīng)先對(duì)元器件引腳或電路板的焊接部位進(jìn)行處理，~ 般有"刮/擦"、"鍍"、"測(cè)"三個(gè)步驟：

刮/擦，就是做好焊接部位的清潔工作。一般是用小刀、細(xì)砂紙或橡皮擦，對(duì)緊鎖座的引腳、萬(wàn)能電路板進(jìn)行清理，去除其上的污垢。

鍍，就是在刮凈的元器件的待焊接部位上鍍錫。

具體做法是：先蘸松香酒精溶液涂在刮凈的元器件焊接部位，再將帶錫的熱烙鐵頭壓在其上，并轉(zhuǎn)動(dòng)元器件，使之均勻地鍍上一層很薄的錫層。

測(cè)，就是用萬(wàn)用表檢測(cè)所有元器件的質(zhì)量是否可靠，若質(zhì)量不可靠或已損壞，則用同規(guī)格元器件替換焊接對(duì)象不同，電烙鐵的工作溫度也不相同。用電烙鐵碰觸松香， 若有"吱吱" 聲，說(shuō)明溫度合適;若沒(méi)有聲音，僅能使松香勉強(qiáng)熔化，說(shuō)明溫度太低;若烙鐵頭一碰上松香就大量冒煙，則說(shuō)明溫度太高。

焊接過(guò)程一般以2~3s為宜。正常情況下，本電路焊接可以在3小時(shí)內(nèi)完成。

四、程序設(shè)計(jì)

ORG O000H;隨后的指令代碼從O000H單元開(kāi)始存放LJMP START;轉(zhuǎn)標(biāo)號(hào)START處ORG 0030H;隨后的指令代碼從0030H單元開(kāi)始存放。

START:MOV P1,#10101010B;使得(P1)= 1o101010B,8路LED間隔發(fā)光END;結(jié)束偽指令，說(shuō)明程序到此結(jié)束。

使用Keil C51 uVision2 編輯源程序、編譯源代碼并生成目標(biāo)程序代碼，再把目標(biāo)程序代碼通過(guò)編程器寫到單片機(jī)中。把單片機(jī)芯片插到八路LED花樣顯示電路的緊鎖插座上，并通電觀察結(jié)果。

該程序?qū)崿F(xiàn)了用單片機(jī)控制八只LED發(fā)光的功能。執(zhí)行該程序，LEDI、LED3、LED5、LED7點(diǎn)亮，LED2、LED4、LED6、LED8熄滅，如圖2所示：

圖2

請(qǐng)讀者思考， 如果把指令"START:MOVP1,#1O101010B" 換成"START:MOV P1,#01010101 B".LED1~LED8的發(fā)光狀態(tài)將如何?

如果想要前面四只LED亮，后面4只LED滅，該如何修改程序?